PROYECTO FINAL Intercambiador de Calor Previo a Absorbedor en Planta de Acido Sulfurico

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL TRANSFERENCIA DE CALOR 2012

23 de julio Intercambiador de Calor previo a Absorbedor en Planta de Ácido Sulfúrico

2012 Entrega III

Entrega Final

Profesor

Patricio Nuñez

Ayudante Integrantes

Felipe Cisternas Juan Ogaz María Ramos

Intercambiador de Calor Previo al Absorbedor Planta de Ácido Sulfúrico (Cisternas, Ogaz, Ramos)

Tabla de contenido 4. Estudio de Mercado ............................................................................................................................... 7 4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas ................................................. 7 4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico ................................................................................................ 7 4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico .............................................................................. 8 4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros ..................................... 10 4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo .................................................................. 11 4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones ............................................................ 11 4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo en los últimos cinco años y principales productores ................................................................................................................... 11 4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico .............................................. 11 4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico ............................................................................... 15 4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en los últimos cinco años ............................................................................................................................. 15 4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico ................................ 17 4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido Sulfúrico............................................................................................................................................. 19 4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico ...................................................................................... 21 4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico ........................................................ 21 4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación ............................................................... 23 4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico ......................................................................................................... 23 4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico ........................................................................................ 23 4.5.2 Principales empresas consumidoras .......................................................................................... 24 4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico ..................................................................................... 25 4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico ............................................................. 26

5. Estudio Técnico………………………………………………………………………………27 5.1 Descripción general del proceso……………………………………………………………...27 5.1.1 Etapa de captación, manejo y limpieza seca de gases……………………………………28 5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases…………………………………………………28 Transferencia de Calor

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5.1.3 Etapa de secado de gases…………………………………………………………………29 5.1.4 Etapa de conversión…………………………………………………………...………….30 5.1.5 Etapa de absorción………………………………………………………………..……..31 5.2 Balance de masa y energía…………………………………………………………………33 5.2.1 Balance de materia………………………………………………………………………34 5.2.2 Balance de energía………………………………………………………………………35 5.3 Listado de equipos…………………………………………………………………………35 5.3.1 Listado de equipos principales de la planta ………………………………………..……35 5.3.2 Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie previos al absorbedor final………………………………………………………………..……………36 5.3.3 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador de calor. ……………………………………………………………………………………………36 5.4 Diseño equipo principal……………………………………………………………..………37 5.5 Especificaciones de otros equipos……………………………………………….…………40 5.6 Balance de masa y de energía de servicios…………………………………………………41 5.7 Especificación de servicios……………………………………………………………...…42 6. Evaluación de Costos…………………………………………………………………………43 6 Anexos memoria de cálculo………………………………………………………………...44

Transferencia de Calor

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Resumen ejecutivo Chile es el principal mercado mundial donde se consume ácido sulfúrico con un fin específico distinto a la producción de fertilizantes fosfatados (principal uso en el mundo), por su aplicación en la hidrometalurgia del cobre. Esta aplicación constituye el destino natural del ácido sulfúrico producido principalmente por las fundiciones de cobre en Chile. Específicamente en las plantas de acido sulfúrico, implementadas con el propósito de tratar el Dióxido de Azufre producto del proceso de fundición. El desarrollo de la producción hidrometalúrgica de cobre, surgida en Chile en la década de los ’80, ha permitido ser el principal productor mundial de cátodos SxEw ( electro-obtenidos), con una participación mayor al 50% en este segmento en el año 2010, por lo que el consumo de ácido sulfúrico ha ido creciendo en paralelo a este desarrollo. Por estas razones el ácido sulfúrico ha llegado a constituir un producto estratégico para la minería Chilena. A continuación se detallarán las principales características del mercado de ácido sulfúrico en nuestro país:

1) Características del mercado chileno del ácido sulfúrico 

El cobre explica el 96% del consumo total de ácido sulfúrico, que el año 2010 alcanzó a 7,93 millones de toneladas. El resto es consumido por la minería no metálica como por ejemplo la industria de la celulosa y otras industrias químicas.



El consumo se concentra en las regiones del Norte, particularmente en la región de Antofagasta que explica el 72,6% del consumo total del país, más Arica, Tarapacá y Atacama que participan con el 21,7%. El remanente se consume de Coquimbo al Sur.



Los consumidores se abastecen principalmente por la vía comercial y en menor medida de fuentes propias (autoabastecimiento). En el año 2010, 5,67 millones de toneladas fueron adquiridas de terceros (el principal exportador de ácido hacia Chile es Perú) y 2,25 millones de toneladas corresponden a autoabastecimiento.



Un elemento esencial es la tasa de consumo unitario de ácido sulfúrico en la minería del cobre, que puede variar entre 1 a 12 toneladas de ácido por cada tonelada de cátodo SxEw producido, lo que incide directamente en los costos de producción. Al respecto, se aprecia un crecimiento sostenido de la tasa promedio debido al deterioro gradual de la calidad de los minerales a lixiviar. Transferencia de Calor

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La tasa promedio de tonelada de ácido/ ton cát SxEw, ha ido subiendo desde al año 2004 (2,86 tasa promedio) hasta el 2010 (3,65 tasa promedio). Lo que demuestra la importancia que tendrá la producción de ácido si es que se sostiene esta tasa de crecimiento. 

Por su parte la producción está basada principalmente por el aporte de las fundiciones, que el año 2010 explicaron el 96% de las 5,13 millones de toneladas producidas en Chile. El resto corresponde a quemadores de azufre y a plantas de molibdeno. Próximamente se notará el aporte de los nuevos quemadores de azufre recientemente instalados por NORACID y CEMIN.



Aunque las regiones del Norte produjeron el 2011 el 60,63% del total (Antofagasta 42,67%), es del todo insuficiente para su demanda local. En forma inversa, las regiones centrales produjeron resto, que excede las necesidades locales, debiendo ser transportadas más de 1,8 millones de toneladas al Norte, preferentemente por vía marítima. Esto denota la asimetría del mercado chileno y un desafío logístico relevante.



Los productores de ácido sulfúrico destinaron el 44% de su producción 2010 al autoabastecimiento de operaciones consumidoras de su propiedad y el resto se coloca en el mercado nacional, más una pequeña fracción que se exporta.



La consecuencia natural de una producción insuficiente para satisfacer la demanda nacional, es la existencia de un déficit estructural que debe ser satisfecho vía importaciones.



Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2,63 millones de toneladas importadas el 2010. Perú se ha constituido en el principal origen del ácido importado, sostenidamente desde el año 2007 (en donde se importaron 499 mil toneladas) hasta la actualidad (949 mil toneladas el año 2011). También son abastecedores importantes los países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.



La mayor parte del ácido importado se desembarca en los terminales existentes en la bahía de Mejillones, al Norte de Antofagasta, desde donde se distribuye hacia las faenas consumidoras.



Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por la paridad de importación puesto en Mejillones, principal centro de recepción de importaciones en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación recoge la situación del mercado internacional, con cierta tardanza.



Cabe señalar que el precio del ácido sulfúrico en el mercado internacional está relacionado directamente con el precio del azufre y éste, con el precio de los fertilizantes fosfatados que es su principal mercado. Luego de la crisis de fines del 2008, la recuperación del mercado de los fosfatos, tanto por la demanda de alimentos como la creciente demanda de biocombustibles, ha generado un sostenido incremento en su precio a lo que ha reaccionado ágilmente el precio del azufre y con algún retraso el del ácido Transferencia de Calor

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sulfúrico, dado que la oferta de éste proviene principalmente de la producción no voluntaria. 

Las proyecciones del mercado del consumo y producción de ácido sulfúrico indican que seguirá creciendo de manera acelerada hasta el 2014, posterior a esto la demanda irá decreciendo hasta alcanzar niveles similares a los actuales (referencia año 2010).

2) Acerca del proyecto El proyecto se emplazará en la planta de ácido sulfúrico de la fundición y refinería ventanas, división de Codelco. La planta de ácido de Codelco Ventanas está encargada de recepcionar los gases tóxicos provenientes del proceso de fundición que ocurre en los convertidores Pierce Smith y Teniente. La planta de ácido convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre para finalmente ser absorbido por ácido sulfúrico obteniendo como producto este último. En esta planta de ácido sulfúrico se pueden encontrar las siguientes secciones: 1. 2. 3. 4. 5.

Sección de captación y limpieza seca de gases Sección de lavado y enfriamiento de gases Sección de secado de gases Sección de conversión Sección de absorción

En una primera etapa el gas que contiene abandona los convertidores Teniente y Pierce Smith conteniendo Nitrógeno, Oxigeno, polvo, humo metálico, vapor de agua y algunas impurezas del mineral, como Halógenos (Flúor, Cloro) Selenio y Arsénico. Este gas es captado por la planta de ácido para su limpieza en una primera instancia. La eliminación parcial o total de las impurezas gaseosas se efectúa en un tren de limpieza que comprende las secciones desde la 1 a la 3, cuyos equipos más relevantes se enumeran a continuación:       

Precipitadores electroestáticos Torres de enfriamiento Venturi Scrubber Ciclones Torre de des humidificación Precipitadores electroestáticos húmedos Torre de secado


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Luego de pasar por estas etapas, se obtienen gases virtualmente limpios necesarios para qué los procesos posteriores puedan ocurrir sin problemas, los gases ingresan a la sección de conversión, sección relevante para el proyecto en cuestión. La sección de conversión representa una variable determinante en el equipo propuesto, puesto que es después del segundo convertidor catalítico que posee la sección de conversión, donde se ubicara el equipo del proyecto. El equipo permitirá disminuir la temperatura de los gases de procesos que contienen (previamente convertido a partir de ) desde la temperatura de salida de los lechos catalíticos del convertidor (438[°C]) hasta la temperatura óptima de absorción (210[°C]). Es importante que los gases de procesos alcancen esta última temperatura, puesto que a esta temperatura mejora la eficiencia del absorbedor, si se define la eficiencia en términos de la razón entre el absorbido y el ácido utilizado con este propósito. El equipo diseñado es un intercambiador de tubo y coraza de Acero al Carbono, con un arreglo cuadrado. Esto último por razones de mantención. El equipo utilizará aire atmosférico como flujo de servicio para disminuir la temperatura de los gases procesados. Para hacer ingresar el aire atmosférico hacia el equipo se utilizará un soplador centrífugo. El aire de servicio se recircula para que tenga una temperatura apropiada que evite la condensación de gas de proceso. El intercambiador está diseñado para procesar un flujo aproximado de 140.249[ ] de gases que contienen

y un flujo de servicio aproximado de 176.878[ ] de aire atmosférico.

Las dimensiones del intercambiador son las siguientes:     

Diámetro interno coraza: 2,921[ Largo de tubos: 6 Número de tubos:3.203 Área de transferencia de calor:2337 Diámetro interno tubos:0,035

Las características del soplador centrífugo asociado al equipo son las siguientes: 

Capacidad:156000 [



Presión de descarga: 14,77[PSI]

]


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El costo asociado al intercambiador de calor es:

4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas 4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico Formula: El ácido sulfúrico es un líquido incoloro a temperatura ambiente y presión atmosférica, es muy fuerte y corrosivo para la vida útil de los materiales estructurales, posee punto de ebullición alto, es deshidratante, debido a que reacciona exotérmicamente con agua, en algunos casos tanto que llega a carbonizar a los compuestos orgánicos con lo que entra en contacto. El ácido sulfúrico es capaz de disolver grandes cantidades de trióxido de azufre, produciendo varios grados de Óleum. Cuando estas soluciones (ácido sulfúrico-Óxido sulfúrico) se mezclan con agua, el óxido se combina con agua formando más ácido sulfúrico. Del punto de vista químico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO4-2) liberando una gran cantidad de calor, por lo cual se considera un poderoso deshidratante. Tabla 1. Propiedades Físicas y Químicas 98,08 Peso Molecular [g/mol] 290 para concentraciones al 100% Punto de Ebullición [ °C] a presión 310-335 para concentraciones al 98% atmosférica 10,4-10,5 para concentraciones al 100% Punto de fusión [ °C] 3 para concentraciones al 98% < 0,001; 20 ºC Presión de Vapor [mmHg] 1; 146 ºC 1,841 para concentraciones al 100% Gravedad específica 0.3 para solución 5% en p/p pH 1,2 para solución 0,5% en p/p 2,1 para solución 0,05% en p/p


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4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico:  Método de cámaras de plomo  Proceso de contacto Sin embargo el estudio se centrará en el “método de contacto” puesto que con el método de “cámaras de plomo” no se alcanza la concentración de ácido sulfúrico necesaria para que sea comercializable, ya que la concentración comercial deseable es de 98% y con el método de cámaras de plomo solo se alcanza una concentración de 62 a 68% de ácido sulfúrico. Método por contacto: Su fundamento reside en la oxidación reversible del a sobre un catalizador sólido, que en un principio fue Platino y que modernamente suele ser Pentoxido de vanadio (V2O5) por razones de economía y velocidad de reacción. Este proceso genera una concentración de ácido sulfúrico igual al 98% el cual es utilizado en la industria termo metalúrgica.

Figura 1. Esquema general Método de contacto


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El proceso de contacto comprende 3 etapas: 1. Obtención de , depuración de los gases 2. Catálisis, conversión de a 3. Absorción de 1) 2) 3)

Reacciones que ocurren en el proceso Combustión

[

]

Conversión

[

]

Absorción

[

]

Dilución de ácido y secado del aire

[

]

En el proceso de contacto se utiliza un catalizador de Pentóxido de Vanadio, la reacción es exotérmica, se utilizan múltiples etapas con enfriamientos intermedios y sistema de doble columna de absorción. Mecanismo de catálisis de la oxidación del SO2 en el lecho catalítico de Pentóxido de Vanadio Debido al efecto de la temperatura sobre la reacción, son utilizados múltiples lechos de catalizador con enfriamiento intermedio. Adicionalmente, como la presión parcial de aumenta la reacción es limitada. Esto fue solucionado removiendo después de la tercera etapa para llevar la reacción a su fin. Finalmente los gases no absorbidos son descargados a la atmosfera, estos últimos virtualmente libres de


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4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros Los principales productores de ácido sulfúrico son las fundiciones mineras ubicadas en la fundiciones mineras, cuya materia prima utilizada es el anhídrido sulfuroso SO2, uno de los tantos subproductos derivados de la minería del cobre. A continuación se especifican algunas cifras de producción de las principales operaciones mineras, detallando datos de capacidad, emisiones de azufre y porcentaje de captura actualizados al año 2008. Tabla2. Capacidad de Fusión y captura de azufre al año 2008 Fundición Capacidad de Emisión de Azufre fundición [ton/año] [ton/año] Ventanas Paipote Chagres Caletones Potrerillos Alto Norte Chuquicamata

410.880 356.000 535.548 1.296.862 702.300 894.695 1.468.346

10.664 11.000 5.754 57.886 18.101 20.923 29.752

Se puede observar que todas las operaciones presentan altos porcentajes de captura de anhídrido sulfuroso, con una media general que alcanza el 90,4%. Estos datos son en base a estudios realizados por Codelco. Al ser el SO2 un contaminante ambiental, las empresas apuntan a ampliar la capacidad de absorción estableciendo como meta el 100% de captura en un plazo relativamente corto, puesto que esta condición mejoraría la calidad de vida de los habitantes circundantes y a su vez aumentar la producción de ácido sulfúrico ya sea para su autoabastecimiento y para su posterior exportación. Datos correspondientes al año 2008 establecían que Codelco División Ventanas tenía una capacidad de tratamiento de gases de 125.000 Nm3/h. En 2010 se realizó una inversión cercana a las 10 millones de dólares que permitió aumentar el porcentaje de captación de 91,3 a 94% llegando a un volumen de 140.000 Nm3/h de gases procesados.


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4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo 4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones Existen variadas concentraciones en las que el ácido sulfúrico puede encontrarse en el comercio, siendo el de mayor concentración el de una solución al 98, producida generalmente en plantas de ácido pertenecientes a fundiciones de metales sulfurados. Al calentar ácido sulfúrico entre 30 y 40 [°C] comienza a desprender vapores de anhídrido sulfúrico por lo que una adecuada manipulación es clave al momento de trabajar con este compuesto. Se adjunta en el anexo 1 la hoja de seguridad para el ácido sulfúrico.

4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo y principales productores Los volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico han experimentado un alza constante en los últimos años, impulsado principalmente por el incremento en la producción de cobre y la ampliación de la capacidad de absorción de las plantas de ácido ubicadas en las fundiciones. En el año 2011 la producción de ácido alcanzó las 5,2769 millones de toneladas. Tabla 3. Toneladas de ácido producidas en Chile por año Producción de Ácido Sulfúrico en Chile Producción (miles Toneladas) Producción

2007

2008

2009

2010

2011

4.775

4.858,4

5.076,6

5.164,3

5.276,9

La producción de ácido sulfúrico presenta una asimetría al comparar la producción v/s el consumo por regiones. Las regiones del norte en el año2010 produjeron el 60,8% del total de ácido, generado principalmente por Alto norte (Xtrata Copper) y Chuquicamata (Codelco). Aun así es insuficiente para la demanda sectorial. Por el contrario, en la zona central de nuestro país se produjo un excedente, producido principalmente por Codelco División Ventanas y Fundición Chagres propiedad de Anglo American, el que debió ser transportado hacia los sectores donde la necesidad es mayor.


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Tabla4. Producción Chilena Ácido Sulfúrico por Regiones (Miles de TM) / (KMT)

2007

2008

2009

2010

2011

104,0

62,0

108,0

116,0

2.021,7

2.257,0

2.203,3

2.252,9

727,0

749,0

843,0

831,0

Región de Tarapacá

115,0

Región de Antofagasta

2.062,0

Región de Atacama

740,0

Sub-total zona Norte

2.917,0

2.852,7

3.068,0

3.154,3

3.199,9

Región de Valparaíso

829,0

820,6

804,6

820,0

839,0

Región de Metropolitana

49,0

71,0

69,0

49,0

50,0

Región de O´Higgins

980,0

1.140,0

1.135,0

1.141,0

1.188,0

Sub-total zona central

1.858,0

2.005,6

2.008,6

2.010,0

2.077,0

4.775,0

4.858,4

5.076,6

5.164,3

5.276,9

Total País

La producción de ácido sulfúrico en nuestro país, se caracteriza principalmente por una gran contribución por parte de las fundiciones, correspondientes al 96% de las toneladas generadas en 2010. El resto de la elaboración proviene de quemadores de azufre o plantas de molibdeno. La tabla que prosigue muestra los principales productores de Ácido sulfúrico, especificando ubicación, tipo de propiedad, destino del ácido sulfúrico producido y la condición actual clasificándola en operación activa o eventual proyecto a concretarse.


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Tabla 5. Principales productores de Ácido Sulfúrico

Región

Productores/operación

Propiedad

Fundiciones

II II II III III V V VI II Metropolita na I II III

Estatal

XSTRATA- Alto norte CODELCO-Chuquicamata CODELCO-Ministro Hales CODELCO-Proterillos ENAMI-Palpote ANGLO AMER-Chagres CODELCO-Ventanas CODELCO-Caletonces Plantas de Molibdeno MOLYNOR-Planta Mejillones MOLYMET-Planta Nos

Privada

Condición Operación

X

X X X X X

Oferta a otras empresas X X X X X X X X

X

X

X

Base

X

X

X

Base

X X X

X

X X

X X X X X X X

Quemadores de Azufre HALDEMAN-Sagasca NORACID-mejillones CEMIN-Dos amigos

Destino Auto abastecimi ento X X

Base Base Base Base Base Base Potencial

Base Base

X

Proyecto

Potencial

4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico Tabla 6. Principales productores de ácido sulfúrico (año 2009) Planta

Fundiciones

Planta de Molibdeno Quemadores de Azufre

Xstrata - Altonorte Codelco - Chuquicamata Codelco - Ministro Hales Codelco -Potrerillos Enami - Hernan de Videla Lira (Paipote) Anglo América - Chagras Codelco - Ventanas Codelco - Caletones Molynor Planta de Molibdeno Molynet Planta de Molibdeno Haleman Sagasca Noracid Cemin - dos amigos

Producción actual[ton/año] 900.000 1.400.000 250.000 520.000 290.000 490.000 330.000 1.100.000 40.000 100.000 600.000 100.000


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Figura 2. Porcentaje de producción por empresa

Porcentaje de produccion de Ton/año de ácido sulfurico por cada empresa Codelco - Chuquicamata 23%

26%

Xstrata - Altonorte Codelco - Caletones

15%

8%

Noracid Codelco -Potrerillos

10% 18%

Otros

En la actualidad la principal empresa productora de ácido sulfúrico es Codelco (con un 23% de la producción total del País) con sus cuatro plantas, en las localidades de Potrerillos, Caletones, ventanas y Chuquicamata. Codelco además destaca como consumidor, importador y exportador de ácido sulfúrico. La capacidad de operación de Chuquicamata en la actualidad es de 1.400000 toneladas de ácido sulfúrico. Otra empresa importante productora de ácido sulfúrico es Alto norte, propiedad de xstrata Esta planta está ubicada en Antofagasta, sector la negra. Esta planta antiguamente contaba con una capacidad de ácido sulfúrico de 290.000 toneladas por año de ácido sulfúrico. Gracias a un proyecto de expansión en el año 2003 que contemplo una nueva planta de ácido sulfúrico, la capacidad de tratamiento se elevo a 900.000 toneladas por año. También se destaca la producción en la fundición Chagres de la compañía Anglo American Sur, (ubicada en la V región, en la comuna de Catemu, a 100 Kilómetros al Norte de Santiago y a 400 metros sobre el nivel del mar), quienes ampliaron su capacidad de producción gracias a la implementación de un horno flash en 1986. En el año 1995 se amplió la capacidad de recuperación de azufre a 95% mediante la instalación de un sistema de doble absorción. Se construyó una nueva planta de ácido sulfúrico con capacidad de entre 400.000 y 460.000 toneladas por año.


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La planta fue construida por la firma canadiense SNC Lavalin con nuevas tecnologías reemplazando a la anterior que había en Charges esta tenía una capacidad de 100.000 toneladas por año y fue vendida a Enami para ser instalada en la fundición Hernán Videla Lira. Inicialmente la fundición Hernán Videla Lira, ubicada cerca de Copiapó, región de Atacama, contaba con una planta de acido con una capacidad de 60.000 toneladas por año. Gracias a la ampliación de la planta en el año 2008, amplio su capacidad llegando a las 290.000 toneladas por año. Otra empresa productora de ácido sulfúrico es la refinería de Molymet, al Sur de Santiago quienes debieron construir una planta de acido sulfúrico para cumplir con las normas de emisión de gases a la atmosfera En la actualidad Ministro Hales (Codelco) se encuentra desarrollando un prestripping de la mina y se tiene la totalidad de los contratos de construcción asignados con avances físicos en las plantas de chancado, molienda y flotación, el complejo de tostación y las plantas de acido sulfúrico y de abatimiento de arsénico.

4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico 4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en los últimos cinco años A pesar de las grandes cantidades generadas en nuestro país, la demanda de ácido sulfúrico es mayor, gatillada principalmente por la hidrometalurgia. Es por eso que para satisfacer esta necesidad se ha recurrido a la importación de este vital producto para la minería del cobre. Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2.634.674 de toneladas importadas el 2010. Perú se ha constituido como el principal origen del ácido importado, sostenidamente desde el año 2007 (749.000 toneladas el año 2010). También son abastecedores importantes los países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.


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Tabla 7. Embarques físicos de importación de ácido sulfúrico según país de origen

EUROPA Alemania Bulgaria España Finlandia Italia Polonia Suecia AMÉRICA Brasil Canadá EE.UU. México Perú ASIA China Corea Filipinas India Indonesia Japón OTROS Argelia Australia Egipto TOTAL

-

-

-

-

-

2007 138.641 45.305 37.881 18.352 20.028 17.075 565.110 -

2008 102.105 18.460 51.335

13.637 18.673 753.459

2009 360.979 121.150 36.531 143.286 15.407 10.600 34.006 734.465 47.334 -

21.079 14.425 51.405 48.877 51.334 499.280 683.503 635.798 581.336 1.534.161 737.974 210.482 223.178 391.376 189.645 203.571 203.202 153.599 335.895 9.937 22.517 286.694 370.320 335.189 0 8.732 38.910 38.910 8.732 1.285.087 2.398.457 1.872.328

2010 190.103 37.014 31.576 98.782 19.723 3.008 -

2011 212.530 40.886 132.378

39.266 1.208.357

765.012 15.855

19.049 451 239.837 949.020 1.724.121 148.387 648.723

749.158 1.669.702 111.733 669.413 177.067 59.505 -

38.609 -

675.451 18.858 -

711.335 18.952 -

18.858 -

18.952 -

2.643.675

3.163.960

Contrariamente de la condición de déficit que presenta el mercado chileno, existen exportaciones de ácido sulfúrico especialmente orientadas a países sudamericanos, gatilladas principalmente por superávit de producción frente al autoabastecimiento por parte de las empresas productoras, contratos asociados, problemas de capacidad de distribución o almacenamiento o por complicaciones en la puesta del producto en el mercado local.


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Tabla 8. Embarques físicos de exportación de Ácido Sulfúrico según país de destino

EUROPA AMÉRICA Argentina Bolivia Brasil Costa Cuba EE.UU. México Perú ASIA OTROS TOTAL

2007 0 124.153 9.095 12.627 37.514 -

20.036

-

42.028 0 0 124.153

2008 0 83.913 2.865 10.596 8.149 17.812 5.000 0 0 83.913

2009 0 13.459 1.697 10.594

2010 0 13.384 2.797 11.687

2011 0 62.551 12.843 27.671

-

19.240

0 0 13.459

0 0 13.384

0 0 62.551

4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico Las empresas que presentan los mayores indicadores de exportación de ácido se caracterizan por su gran capacidad de procesamiento de mineral de cobre, en este caso Codelco o por ser empresas transnacionales relacionadas con el rubro de la importación/exportación y distribución de ácido sulfúrico, azufre y servicios logísticos (Interacid, Trans Sud y BCT Chemtrade). En el año 2010 Codelco se presentó como el principal comerciante con 13.134 toneladas correspondiente al 98% aproximadamente del ácido exportado en ese año.


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Tabla 9. Exportaciones en Chile de Ácido sulfúrico según exportador

Tabla 10. Monto exportado el año 2011 por todas las empresas Chilenas, del producto Ácido sulfúrico; óleum, hacía todos los países.

Empresa CODELCO

Monto exportado (US$)

% participación

5.103.976

65,34%

BCT Chemtrade LTDA

2.705.400

34,63%

Comercial Sur Chile LTDA

1.801

0 ,03%

TOTAL

7.811.177

100%


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4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido Sulfúrico Chile es el país que tiene el principal mercado a nivel mundial de ácido sulfúrico por su aplicación en la hidrometalurgia del cobre, esta aplicación constituye el destino natural del ácido producido obligadamente por las fundiciones de cobre en Chile por razones medio ambientales lo que constituye un excepcional circulo viciosos, aun así, estas capacidades no son suficientes para poder cubrir toda la demanda actual por lo que se requiere de un abastecimiento adicional a nivel nacional. Figura 3. Países que exportan ácido sulfúrico a Chile (Año 2011)

US$

Tendencia de Importaciones 120.000.000 100.000.000 80.000.000 60.000.000 40.000.000 20.000.000 0

Series1; 41

Figura 4. Países a los cuales se exporta parte de la producción ácido sulfúrico de Chile (Año 2011)

Tendencia de Exportaciones 3.500.000 3.000.000

US$

2.500.000 2.000.000 1.500.000 1.000.000 500.000

Series1; 1.801

0 BRASIL

CUBA

BOLIVIA

ARGENTINA, REPUBLICA DE


COLOMBIA

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Perú es el principal exportador de ácido sulfúrico a Chile, esto se entiende debido a la cercanía geográfica de la que se dispone. La tendencia de exportación va disminuyendo a través de los años, obviamente esta tendencia está justificada por la alta tasa de consumo del ácido en Chile.

Figura 5. Contraste de las tendencias de comercio del ácido sulfúrico de los últimos años.

Tendencias de Importaciones y Exportaciones 500.000.000 450.000.000 400.000.000 350.000.000

US$

300.000.000 250.000.000

Importaciones Exportaciones

200.000.000 150.000.000 100.000.000 50.000.000 0 2008

2009

2010

2011

años


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4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico 4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por la consonancia de adquisición puesto en Mejillones, principal receptor de las importaciones de ácido en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación CIF1 Mejillones recoge la situación del mercado internacional, con cierta tardanza y se constituye como elemento de referencia para la valorización del ácido sulfúrico en el mercado nacional. La Gráfica que prosigue muestra la evolución del precio promedio de importación del ácido sulfúrico, con la indicación del rango del valor máximo y mínimo registrado trimestralmente desde el año 2001. Figura 6. Valor de Importación de Ácido Sulfúrico CIF Mejillones (US$/Ton) (I Trimestre 2001 al I Trimestre 2011)

En el I Trimestre 2011, se importaron 746.700 toneladas, por MUS$ 73,5, dando un promedio CIF de 98,5 US$/ton, en un rango de 20 a 250 US$/ton. Cabe señalar que el valor unitario es CIF para la mayoría de las importaciones, excepto las realizadas por CODELCO, que emplea la modalidad “CFR”, la cual no incluye el costo de los seguros comprometidos en el transporte.

Las zonas más relevantes constituyen un mercado de referencia. Ellas son la costa del Golfo de México (Sur Este de EE.UU./deficitaria), Norte de Europa (Báltico / excedentaria), Sur

1

Las siglas CIF (Coste, seguro y flete, puerto de destino convenido) se refieren a un término de comercio internacional que se utiliza en las operaciones de compraventa, en que el transporte de la mercancía se realiza por barco (mar o vías de navegación interior).


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de Europa (Mediterráneo / excedentaria), Sudeste Asiático (Japón y otros / excedentaria, China / deficitaria), Sudamérica (deficitaria). En la zona del Golfo de México (Tampa) radica la principal concentración de productores de fertilizantes fosfatados de EE.UU., dada su disponibilidad de roca fosfórica y su posición cercana a las grandes áreas agrícolas que los consumen. Tabla 11. Comparación de precios del ácido sulfúrico con el azufre, Fosfatos y cobre (Secuencia trimestral Junio 2006 – Junio 2011)

Fuente: Fuente: Elaborado en Cochilco en base a datos de SULPHUR (Ácido sulfúrico y azufre hasta 2009), PENTASUL (DAP y Ácido sulfúrico y azufre desde 2010) y COCHILCO (Cobre)


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4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación La dinámica de los precios de importación- exportación está estrechamente relacionada con el precio del ácido sulfúrico en el mundo, el que a su vez depende de una serie de factores:    

Precios en mercados relacionados al ácido sulfúrico Producción obligada Mercados de referencia Costo de los fletes marítimos

En Chile predomina como precio de referencia el valor del precio CIF Mejillones, puerto por donde se recibe la mayor parte del ácido que satisface el déficit existente en la II Región. Dicho valor está correlacionado con el de Tampa más un incremento (Por ejemplo: el efecto flete hacia Chile). Sin embargo, contratos vigentes de gran volumen suscritos antes del alza de precios, por CODELCO con Japón y por otros operadores, han permitido que el valor unitario promedio de las importaciones de los últimos años no reflejen enteramente los precios del mercado spot internacional.

4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico 4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico Son muchas las aplicaciones industriales que posee este producto, destacando por ejemplo:      

Fabricación de Fertilizantes Refinación del Petróleo Producción de pigmentos Manufactura de explosivos Manufactura de detergentes, plásticos y fibras Lixiviación, extracción por solventes y refinación del cobre.

Este último ítem representa el principal uso de ácido sulfúrico en nuestro país, debido a la importancia que representa la hidrometalurgia en la producción de cátodos de cobre electroobtenidos.


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4.5.2 Principales empresas consumidoras Como anteriormente se mencionó la utilización del ácido sulfúrico por parte de las empresas mineras representa casi la totalidad del consumo en el mercado chileno. A continuación se presenta una tabla con las principales empresas y operaciones consumidoras de ácido sulfúrico, clasificadas por región tipo de propiedad, fuente de provisión y condición de estado especificando operación activa o eventual proyecto a concretarse.

Tabla 12. Principales operaciones consumidoras de ácido sulfúrico en Chile


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4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico Al analizar patrones de consumo, se puede observar que gran parte del consumo se produce en la segunda región de Antofagasta, impulsado principalmente por las operaciones mineras instaladas en esas zonas destacándose las faenas de Chuquicamata y Altonorte. Al fijarse en el tipo de abastecimiento, se puede apreciar que gran parte del consumo debe subsanarse por medios externos, principalmente por empresas dedicadas a la importación. Por otro lado el autoabastecimiento representa solo el 28,4%.

Tabla 13. Distribución de la producción y consumo de ácido sulfúrico en el año 2010 (Miles de toneladas)

Otra arista a considerar es la minería hidrometalúrgica, puesto que producir una tonelada de cátodos electroobtenidos requiere entre 2,9 a 3 toneladas de ácido sulfúrico para su manufactura. Es por esto que el consumo depende directamente del continuo aumento en la capacidad de operación de las empresas dedicadas a este rubro. En la gráfica siguiente se muestra la tasa de consumo de ácido sulfúrico en relación a las toneladas de cátodos electroobtenidos.


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Figura 7. Distribución de la Producción Chilena de Cátodos SxEw en el año 2010 según su Tasa de Consumo de Acido Sulfúrico (Ton Ácido Sulf./ Ton Cát SxEw)

Al observar el comportamiento de la tasa de consumo en las principales operaciones donde se muestra la distribución de la producción nacional de cobre ordenadas desde menor a mayor tasa de consumo de ácido sulfúrico si se segmenta dicha producción en quintiles (418 Kton de Cu en el año 2010) se aprecia la gran diferencia de consumo entre cada uno de los segmentos, donde el quinto quintil se caracteriza por reunir a operaciones de bajo volumen de producción y alto consumo unitario.

4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico Según un estudio realizado por COCHILCO en relación a la proyección del mercado chileno del ácido sulfúrico al 2020 se pueden apreciar una serie de tendencias y comportamientos asociados al consumo y producción de este elemento. 

Comportamiento del consumo: se observa que el consumo seguirá creciendo de manera acelerada hasta el 2014, llegando a un máximo de demanda el cual con el transcurrir de los años presentará una visible declinación para ya el año 2018 llegar a niveles similares al actual.



Producción de cátodos electro-obtenidos: se aprecia que la producción de este tipo de cátodos se mantendrá sobre las 2.000.000 hasta 2014 para luego comenzar un descenso en la producción ocasionada principalmente por el declive en la inversión y la formulación de nuevos proyectos en el rubro de la hidrometalurgia del cobre.



Tasa de consumo unitario: la lixiviación del cobre ha experimentado un alza en la tasa de consumo unitario (ton acido/ton cobre fino). Por tanto se espera que en los próximos años Transferencia de Calor

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se llegue a una tasa en torno al 4,4 y 4,6 relacionada directamente por el decrecimiento en la calidad de los minerales y el consumo por parte de los nuevos proyectos en carpeta. 

Comportamiento de Producción: debido a la puesta en marcha de la nueva planta NORACID S.A en Mejillones, propiedad inversiones Belfi y Ultraterra (Ultramar Group), se espera un salto sustancial en la producción base a partir de este año, realizando un incremento cercano a 1.700.000 de toneladas adicionales al mercado.



Déficit en el mercado: como anteriormente observamos en este informe, el mercado chileno presenta una demanda superior a la oferta produciendo un déficit el cual es remediado vía importaciones. Se prevé que la situación continuará del mismo modo los próximos años. A raíz de esto y debido a una asimetría en el consumo de nuestro país, concentrado principalmente en el norte de Chile, es que Perú se consolidaría aún más como principal país exportador de ácido hacia nuestro país.

5. Estudio técnico 5.1. Descripción del general del proceso. El proceso de producción de ácido conlleva una serie de etapas las cuales serán detalladas a continuación:

Fig 1. Bosquejo del proceso,


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5.1.1 Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases. Los gases son captados, tras pasar por las torres de acondicionamiento que posee la fundición tanto en cada uno de los convertidores: Teniente (CT) y Pierce Smith (CPS), estos sistemas son independientes uno de otro, donde los gases salen a una temperatura entre 350 [°C] y 400[°C] con un contenido de agua no mayor a 14% en peso y entre 7 y 12% en volumen. Cada uno de los sistemas de gases consta de ventiladores tiro inducido que conducen los gases a través de un ducto de alta velocidad hasta los precipitadores electroestáticos en los que se retira el polvo contenido. En el sistema del CT hay 2 precipitadores electroestáticos FLAKT en paralelo y en el sistema de los CPS hay un precipitador MILJO. Cada precipitador tiene 3 campos eléctricos, válvulas de entrada y salida de gases, que permiten aislar cada unidad en caso de mantención, sistemas de calefacción para evitar condensación de la humedad del gas, sistemas de golpeteo para que el polvo que es atrapado caiga a las tolvas de recepción, sistemas de transporte de cadena para descargar el polvo de contenedores e instrumentación necesaria para el control y supervisión remota. A la salida de los precipitadores, los gases pasan por los ventiladores de tiro inducido y estos gases son descargados con contenido de polvo menores a 600[mg/Nm3] de gas los que provienen del CT y menores a 400[mgNm3] de gas los que provienen de los CPS. Posteriormente se unen los gases de ambos sistemas y se conducen hacia la etapa de lavado de gases. En caso de existir una mayor cantidad de gases de lo que es posible tratar, estos pueden ser descargados a la atmosfera, utilizando la chimenea principal mediante válvulas de distribución de gases instaladas para este efecto. 5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases Esta sección recibe el flujo de gas de alimentación proveniente desde los precipitadores secos de gases caliente a alrededor 350[°C] aproximadamente, el que es enfriado en la torre de humidificación (lavado K1) mediante contacto directo con ácido débil que circula en contracorriente, cuta concentración varia alrededor de 30-40% de ácido débil, de este modo el gas que se enfría adiabáticamente por evaporación del agua que acompaña a la solución de riego, la que logra retirar calor desde el gas, enfriándolo a 75[°C] aproximadamente. También se retira de las partículas sólidas que pueda llevar el gas. El gas saturado fluye entonces hacia unos lavadores Venturi de garganta fija que operan en paralelo. La tubería intensa generada en la garganta de estos lavadores Venturi efectivamente remueve la mayoría del material particulado de mayor tamaño presente en el gas. El flujo de gas continua a través de tres ciclones para luego ingresar al sistema de enfriamiento de gas, compuesto por dos torres rellenas operando en paralelo, en donde el gas caliente se pone en contacto en contracorriente de ácido débil frio. Así, a medida que el gas pasa a través del relleno es enfriado y al mismo tiempo la mayoría del contenido de agua se extrae por Transferencia de Calor

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condensación. El gas sale de estas torres de enfriamiento a alrededor de 380[°C], saturado con vapor de agua en equilibrio con ácido sulfúrico diluido. Hay una neblina fina de partículas de ácido sulfúrico presente en el gas, la que en conjunto con otro material particulado fino, es removida en dos etapas de precipitadores electroestáticos húmedos. El gas que sale de los precipitadores húmedos debe ser ópticamente transparente cuando están operando correctamente. Todo el transporte de gas a lo largo del tren de limpieza y enfriamiento de gases se efectúa por la succión que ejerce el ventilador principal V-10. Con el propósito de evitar una posible baja de presión excesiva en ductos y equipos, el sistema de ductos incorpora a la salida de los precipitadores electroestáticos, un dispositivo llamado “Sello de agua”, este sello está ajustado con una columna de 700 [mm de CA] en caso de que la succión del soplador principal V-10 sea mayor a los 700 [mm de CA] el agua es arrastrada hacia el ducto, permitiendo la entrada de aire al sistema.

5.1.3 Etapa de secado de gases Torre de secado primario. Esta torre ubicada inmediatamente después de los precipitadores electroestáticos húmedos es utilizada para remover la mayor parte del contenido de agua del gas de proceso que se encuentra saturado de agua en equilibrio con ácido sulfúrico. En esta torre, el gas entra en contacto con un flujo circulante de ácido sulfúrico al 80%. Es esencial remover el agua del flujo de gas para prevenir la condensación del vapor de ácido sulfúrico contenido en el gas durante etapas subsecuentes del proceso. Se forma vapor de ácido sulfúrico a partir de la reacción de con agua residual que queda en el gas. El ácido sulfúrico que pudiera condensar sobre superficies metálicas frías como las superficies de los conductos de has y de intercambiadores de calor, comenzara a corroer estas zonas. El esquema de flujo para la circulación y enfriamiento de ácido sulfúrico al 80% en la torre de secado primario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de la torre, este ácido pasa por enfriadores de placas que permiten regular la temperatura del ácido en 40 grados a la entrada de la torre y es distribuido por un tubo perforado sobre el relleno ubicado en la parte superior de la torre de secado primario. La concentración de ácido en la torre, se mide continuamente, y es controlada por un controlador de conductividad que regula por medio de válvulas la entrada de ácido al 98,5 % proveniente de la torre de absorción intermedia. El nivel de ácido al 80% en el fondo de la torre de secado primario es mantenido por controlador de nivel, quien regula por medio de las válvulas el flujo de ácido sulfúrico al 80% hacia un estanque pulmón mediante una bomba. Esta bomba mantiene el nivel en dicha torre. Transferencia de Calor

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Torre de Secado Secundario. Esta se encuentra ubicada inmediatamente después de la torre de secado primario es utilizada para remover los últimos vestigios de agua aun presente en el gas y asegurar cero humedad a las etapas siguientes del proceso. Para precipitar y retener las gotas de ácido que son arrastradas por el gas tras su paso a través de la torre de secado secundario y que puede dañar las instalaciones aguas abajo del proceso, se ha instalado 5 filtros tipo vela en la parte superior de esta torre. La caída de presión a través de estos filtros debe estar monitoreada periódicamente para poder detectar cualquier anomalía en su operación. Las gotas de ácido sulfúrico al chocar con los alabes del soplador principal V-10 causan erosión y corrosión de estos provocando una falla aceleradamente. El esquema de flujo para la circulación de ácido sulfúrico al 93-95% en la torre de secado secundario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de la torre y mediante una canaleta de distribución ubicada sobre el relleno en la parte superior de la torre se hace llegar a toda la sección de la torre. A fin de mantener la concentración de ácido en este circuito, se agrega ácido 98,5% desde el estanque de ácido producto y es controlado por el control de conductividad quien ajusta la válvula de ácido para mantener la concentración de ácido entre 93-95% dentro de esta torre. El nivel de ácido en el fondo de la torre de secado secundario es mantenido por un controlador de nivel quien regula mediante válvulas el excedente de ácido sulfúrico de 93-95% de la torre de secado secundario al estanque de ácido sulfúrico. 5.1.4 Etapa de Conversión La sección de conversión de la planta de ácido sulfúrico está diseñada para convertir el 99,5% del a del gas y remover el del gas mediante absorción por ácido sulfúrico al 98,5%. Para ello el gas alimentado y precalentado pasa por un primer reactor donde la concentración de sube al 95%, se absorbe en ácido sulfúrico en la torre de absorción intermedia K-6, el gas pasa a un segundo catalizador donde su composición sube al 99,5% y se absorbe en la torre de absorción final K-5. A medida que el gas fluye a través del primer lecho catalizador, alrededor del 60-70% del SO2 originalmente presente es oxidado para formar SO3. Paralelamente, la temperatura del gas de salida de los gases depende principalmente de la cantidad de SO2 originalmente presente en el gas. Para que la reacción prosiga, es necesario enfriar la mezcla de gas de vuelta a los 450 grados, dirigiéndolo a través de la carcaza del intercambiador de calor caliente W-22. El gas que sale de la carcaza del intercambiador caliente W-22, entra radialmente a la parte superior del segundo lecho catalizador y fluye hacia abajo a través de donde se lleva a cabo más conversión de SO2 a SO3, y la temperatura del gas aumenta a las salida de la segunda capa entre los 500 y 540 grados debido al calor que produce la reacción. Al salir del segundo lecho Transferencia de Calor

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catalizador, alrededor del 90% del SO2 originalmente presente en el gas ha sido convertido a SO3. Este gas caliente entra entonces a un ducto que pasa a través del segundo lecho catalizador y sale por la carcaza del convertidor C-20. A fin de que la conversión de SO2 a SO3 continúe, es necesario enfriar el gas a los 430 grados pasándolo a través del lado tubo del intercambiador caliente W-6.

5.1.5 Etapa de Absorción Torre de Absorción intermedia K-6. Esta torre ubicada tras los lechos catalizadores primer, segundo y tercero (capa 1, capa 2, capa3), es utilizada para remover el formado por la oxidación del a . En esta torre el SO3 es absorbido por un flujo circulante de ácido sulfúrico al 98,5%. Una vez absorbido por el ácido, el SO3 reacciona con el agua para formar H2SO4 adicional.

Las razones para absorber el

del flujo de gas en esta torre son las siguientes:



Es conveniente remover el del flujo de gas, con el fin de facilitar la posterior conversión del SO2 restante presente en el gas, a en el cuarto lecho catalizador.



Producir ácido sulfúrico a 98,5%.

El gas caliente que sale del tercer lecho catalizador contiene aproximadamente un 10% de trióxido de azufre ( ). Es enfriado mediante el intercambiador frio W-23 y el enfriador de SO3 W-26 hasta alrededor de 210[°C] antes de entrar en la torre de absorción intermedia K.-6. El gas entra por la parte inferior de esta torre y fluye hacia arriba a través de un lecho relleno cerámico donde se pone en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%. La alta solubilidad del en lleva a la remoción de casi todo el SO3 del gas, siendo absorbido por el ácido. El gas que sale de la torre puede contener gotitas de ácido retenidas mecánicamente con asimismo partículas pequeñas de neblina que algunas veces es formada durante el proceso de absorción de SO3. Estas deben ser removidas para prevenir su arrastre hacia el manto de intercambiador Frio W-23, donde podrían causar corrosión en la superficie de los tubos. Esto es logrado pasando el gas a través de eliminadores de neblina eficientes tipo vela antes de abandonar la torre. El ácido sulfúrico al 98,5% entra por la parte superior de la sección con relleno de la torre de absorción intermedia K-6 alrededor de 60[°C]. A medida que fluye a través del relleno, aumenta la concentración hasta 99,0% con resultado de la absorción de y la temperatura Transferencia de Calor

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aumenta hasta alrededor de 87 [°C]. En el fondo de la torre de absorción intermedia K-6, un flujo mezclado de ácido sulfúrico al 80% proveniente del estanque pulmón y agua es agregado para diluir el ácido a una concentración de 98,5%. Los flujos de ácido sulfúrico al 80% y agua son mezclados en el mezclador de ácido junto a un flujo de reciclado de ácido proveniente de la salida de los enfriadores de ácido de la torre de absorción intermedia. El ácido es bombeado desde el fondo de la torre de absorción intermedia K-6 por unas bombas de ácido hacia los enfriadores de ácido tipo placa. Estos enfriadores enfrían el ácido de vuelta a la torre con agua, hasta una temperatura entre 60 y 65 [°C] antes de devolverlo a la parte superior de K-6. Luego, un sistema distribuidor (tipo tubería), alimenta ácido en forma uniforme sobre la parte superior del relleno de la torre. Es necesario mantener un flujo mínimo de ácido sobre la torre para asegurar una buena absorción. El flujo debe ser mantenido constante aun si varía el caudal de gas hacia la planta. Después se desvía un flujo de ácido hacia el sistema de secado que permite controlar la concentración de ácido en la torre de secado primario. Un segundo flujo de ácido, fluye hacia el mezclador de ácido y posteriormente hacia la torre de absorción final K-5, es extraído en este punto para mantener contante el nivel de ácido en el fondo de la torre K-6. Torre de Absorción Final K-5. La torre de absorción final está ubicada aguas abajo del cuarto lecho catalizador y es utilizada para absorber el SO3 formado en este lecho. El SO3 es absorbido por el flujo circulante de ácido al 98,5%. Las razones para remover el SO3 del flujo de gas en esta torre son las siguientes:   

Remover el SO3 de flujo de gas a un nivel tal que cumple con la legislación sobre el medio ambiente. Tener emisiones no visibles en chimenea. Producir ácido sulfúrico al 98,5%.

El anhídrido sulfúrico (1-3% en vol.), aire en exceso y trazas de abandonan la masa del cuarto catalizador y son enfriados por el intercambiador de W-27 y luego en serie con el intercambiador de calor frio W-24, a una temperatura de alrededor de 210[°C] antes de entrar a la torre de absorción final K-5. El gas entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba a través de un lecho con relleno cerámico donde entra en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%. Virtualmente todo el

es removido del gas y absorbido por el acido

El ácido sulfúrico a 98,5% entra por la parte superior de la torre de absorción K-5 a alrededor de 75[°C] y es alimentada uniformemente sobre la parte superior del relleno mediante Transferencia de Calor

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un distribuidor. A medida que el SO3 es absorbido por el ácido, su concentración aumenta a alrededor del 98,6% y al mismo tiempo aumenta la temperatura alrededor de 88,2[°C]. En la parte inferior de la torre, un flujo de agua de proceso es agregado para diluir el ácido de vuelta a una concentración de 98,5%. En la parte superior de la torre de absorción final K-5 se mezcla un flujo de ácido proveniente desde la torre de absorción intermedia K-6 con un flujo reciclado de ácido enfriado que sale desde la torre de absorción final K-5. El nivel de ácido en el fondo de la torre de absorción final K-5 se mantiene mediante un rebalse que descarga acido por gravedad hacia el estanque de ácido producto. La operación del sistema de la torre de absorción final tiene un efecto pronunciado sobre la pluma de descarga de la chimenea de salida de la planta de ácido. El factor más significativo de la absorción es la concentración del ácido. Para la mejor absorción, la concentración del ácido debe estar en el rango de 98-99,4%,; sin embargo, la concentración exacta a la cual se obtiene una “descarga de chimenea” si emisiones visibles es en gran medida u tema de prueba y error y depende de:       

La concentración de SO3 (>98%). La temperatura del gas entrando a la torre de absorción final K-5(210[°C]). Flujo de ácido (entre 400 y 600 [m3/h]. Concentración acida (985%). La temperatura del ácido entrando y abandonando la torre absorción final K-5 (entrada 75[°C] y salida 90[°C]). Si filtros velas también esta rotos también hay pluma. Sistema de irrigación en condiciones.

5.2. Balance de masa y energía.

1 Atmosfera

4 3

Aire

Soplador

W24

2

A torre K-5

Figura 8. Diagrama de flujo de proceso (PFD) esquemático del intercambiador con soplador Transferencia de Calor

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Nomenclatura: Fi: Flujo de la corriente i wi,j: Composición másica de la corriente gaseosa i, del componente j Sea:

5.2.1 Balance de Materia 5.2.1.1 Global para producto: Se considera un estado estacionario.

5.2.1.2 Por componente:

Datos: [

]

[

]


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5.2.2 Balance de Energía (

)

Consideraciones: Al encontrarse el N2 en una concentración molar muy superior al resto de los gases que componen la corriente, exactamente igual al 91,8% es que se ha considerado el cp de la mezcla igual a la del N2. Datos: [

]

[

]

[

]

5.3. Listado de equipos. 5.3.1. Listado de equipos principales de la planta: -

5.3.1.1. Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases Precipitadores electroestáticos

-

5.3.1.2. Etapa lavado y enfriamiento de gases Torre de enfriamiento Bombas Torres de enfriamiento Estanque Sedimentador Venturi Scrubber Ciclones Estanque Intermedio Bombas Venturi Estanque Solución Silicato Torre de Deshumidificacion Bombas torre de Deshumidificación Enfriadores de Acido Precipitadores electroestáticos húmedos

5.3.1.3. Etapa de secado de gases - Torre de secado Primario Transferencia de Calor

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-

Bomba Acido de Secado Enfriador de ácido de secado Torre de secado secundario Bombas de secado secundario

5.3.1.4. Etapa de Conversión - Soplador Principal - Intercambiador de calor - Convertidor Catalítico - Intercambiador caliente - Enfriador de SO3 - Chimenea - Sistema de precalentador 5.3.1.5. Etapa de Absorción - Torre de absorción final - Bomba acido torre de absorción final - Enfriador acido de absorción - Torre de absorción intermedia - Bomba de ácido torre de absorción intermedia - Enfriador de ácido producto

5.3.1. Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie previo al absorbedor final (sección de interés): - Intercambiador de calor (frio). - Soplador. - Torre de absorción final - Convertidor catalítico - Torre de absorción intermedia

5.3.1 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador de calor (frio): -

Soplador principal. Soplador para intercambiador. Torre de absorción final Convertidor catalítico


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5.4. Diseño equipo principal. Para este proyecto se ha realizado un diseño de intercambiador de tubos y coraza, acorde a las necesidades, limitaciones y requerimientos de la planta de ácido.

Figura9. Esquema de Intercambiador de tubos y coraza (1 paso) Se ha calculado el área requerida para llevar a cabo este proceso, equivalente a 2113 [m2]. Asumiendo la no existencia de limitantes espaciales se ha seleccionado un largo de tubos de 20 [ft] y un diámetro de tubos de 1,5 [in]. Todos los cálculos se encuentran anexados. Realzando los cálculos obtenemos un Área disponible equivalente 2336 [m2] con una cantidad de 3203 tubos. Criterios de diseño:  El grado de corrosión que provoca la mezcla de gases (SO2, SO3, etc.), es por esto que se ha optado por la circulación por tubos para esta mezcla.  Se ha determinado como flujo de servicio aire obtenido de la atmósfera.  Se ha optado por un arreglo cuadrado por un tema de mantenimiento del intercambiador  Las caídas de presión disponible dentro de la planta.  Las velocidades límites de los gases circulantes.  No existe cambio de fase de ninguna de las dos corrientes.  La temperatura de criterio es un poco más compleja de analizar ya que se encuentra ligado con la eficiencia del proceso. Esta dependencia será explicada a continuación.


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Temperaturas de diseño Etapa de conversión Segundo reactor catalítico Figura 10. Temperatura en relación al porcentaje de conversión de SO3

Fuente: Elaborado para la realización de este estudio

Esta es una gráfica de conversión de avance de la reacción.

a

versus la temperatura, donde se muestra el

Las líneas azul (modificada) y roja (real) representan el equilibrio de la reacción, las cuales fueron determinadas en la realización de este proyecto La reacción tiene como temperatura de ignición aproximadamente los 430 [°C] y va aumentando mientras transcurre la reacción producto de su naturaleza exotérmica. Es importante destacar que la reacción no puede avanzar hasta llegar a alcanzar la temperatura de equilibrio, puesto que a esta temperatura la reacción corre en ambos sentidos provocando un estancamiento de la reacción, por lo que se hace necesario emplear más de un intercambiador de calor. Estos se encontraran convenientemente entremedios de los lechos catalizadores Transferencia de Calor

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(representados por las líneas horizontales que se encuentra en naranjo), lo cual permitirá disminuir la temperatura de los gases en reacción hasta llegar aproximadamente a la temperatura de ignición de la reacción y así poder aprovechar al máximo la conversión. Luego de atravesar los lechos el gas posee en mayor porcentaje poder ingresar al absorbedor.

el cual debe ser enfriado para

Por ello es interesante detallar esta reacción debido a que la temperatura de salida del último lecho determinará la temperatura de entrada del intercambiador de calor del proyecto la cual determínanos que es 438[°C] Por otro lado, se encuentra el ingreso al absorbedor el cual también condicionara de cierta manera la temperatura a la cual debemos enfriar el flujo de proceso. Figura 11. Contenido de SO3 en relación a la Temperatura

Contenido de SO3 [Kgmol/h*10E5]

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 180

185

190

195

200

205

210

215

220

Temperatura °C Fuente: Estudio de simulación de sistema de absorción, realizado en la Universidad de Carabobo, Venezuela. Este gráfico representa los efectos de la temperatura de entrada al absorbedor sobre el contenido de en la corriente de salida de la torre. Donde se puede apreciar que para obtener un proceso ventajoso, la temperatura de entrada al absorbedor debe estar entre los 210[°C] y los 220[°C]. Por lo tanto el gas de proceso proveniente del convertidor catalítico debe ser enfriado por el intercambiador de calor, desde una temperatura de 430[°C] hasta la temperatura óptima de entrada al absorbedor determinada a 210[°C]. Transferencia de Calor

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5.5. Especificaciones de otros equipos. 5.5.1 Soplador principal Con este equipo se transporta el gas desde la etapa de limpieza húmeda hasta la absorción, es un soplador de centrifugo de una etapa, su carcaza es de hierro fundido, tiene velocidad fija y posee un control de flujo mediante válvulas que regulan el acceso y la recirculación, el motor es de inducción acoplada a una caja de engranajes, utiliza 12 [Kv]/3[Hp]/50[Hz]. Posee un sistema de enfriamiento con intercambiador de calor de tubos y carcaza, lubricación forzada con aceite accesorios compuestos por estanques enfriadores de aceite, doble filtro y bomba auxiliar de aceite. Sus condiciones de operación son una composición de fluido de 10% SO2, 13,2%02 Y 76,8 N2, con una capacidad de 131000 [Nm3/hr], la presión de entrada y salida cerca de -70[bar] y 340,9[mbar] respectivamente con una temperatura de entrada de los gases de 90[°C].

5.5.2 Torre de absorción final Su funciones la absorción del anhídrido sulfúrico (SO3), producido en la etapa de conversión, mediante ácido sulfúrico concentrado en flujo contracorriente a través de un relleno cerámico. Equipo compuesto por cilindro de chapa de acero A42-27ES con un pozo para acido integrado en la parte interior, el que sirve de recipiente para la absorción del SO3, la torre con doble mampostería de ladrillos resistentes al acido. EL revestimiento se efectúa con masilla especial resistente al ácido y silicato de potasio empleando una proyección adicional de Rhepanol para toda la parte interior de la torre, el relleno de la torre es monturas Instalox de 2” y 3”, de acción intensiva, de material cerámico. El soporte de este relleno es un boque de parrillas antiácido autosoportante. Para la distribución del ácido se ha previsto una distribución por canaleta especialmente diseñada de fundición de hierro, con los tubos de afluentes necesarios, que garantiza tanto una distribución homogénea del ácido, así como del gas, también consta de eliminadores de neblina acida tipo vela. Estos son 40 y están construidas en fibra especial de vidrio y acero inoxidable. La eficiencia de estas es de un 99% con un tamaño de partículas de 3 micrones. Este equipo se caracteriza por estar compuesto de un cilindro horizontal cuya construcción es de acero de carbono espesor de carcaza 10[mm]. Las condiciones de operación de estas torres mediante el flujo de gas después de los filtros velas es de 106.609[Nm3/hr], la temperatura de entrada del gas es de 210[°C] y la de salida es de 75[°C] el flujo de ácido concentrado es de 766[m3] con una temperatura de entrada de 75[°C] y una temperatura de salida de 88,2[°C]


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Figura 3. Torres de absorción para convertir

y agua en

.

5.6. Balance de masa y energía de servicios. Se utilizarán los mismos criterios de nomenclatura expuestos en la sección 5.2. 5.6.1 Balance de masa Se establece un estado estacionario, por tanto para el servicio:

Por componentes:

Datos: [

]


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5.6.2 Balance de Energía Puesto que el servicio es el medio de enfriamiento para el gas de proceso:

Además se tiene para el servicio: (

) [

]

Se establecieron las temperaturas de entrada y salida a fin de disminuir lo máximo posible el flujo de servicio. Es por esto que: ( ) ( ) Se consideró un Cp mix para el aire equivalente a: [

]

Se obtuvo un flujo de servicio: [

]

5.7. Especificación de servicios. Se establece como fluido de servicio aire atmosférico, con un flujo equivalente a [ ], con una temperatura de entrada de 90 [°C] de aire atmosférico y una temperatura de salida de 280[°C].


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6. Evaluación de costos. Para la evaluación de costo asociado al intercambiador se utilizó la página matche.com la cual entrega valores aproximados para equipos, referenciados al año 2007.

Para actualizar los costos se utiliza la siguiente relación:


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7.1 Memoria de Cálculos

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Fluido Flujo Flujo

Unidades

Coraza

Tubos

Nm3/h

Aire 137.115

Gases Calientes 108.720

Kg/h Lb/h

Flujo de Calor Flujo de Calor T Entra T Sale DT Caliente DT Frio R S Nº de Pasos Ft LMTD DT T de Calor Coef. T. de Calor Coef. De Ensuc. U Arequerida Adisponible % Sobredimensionamiento Diferencia de Presión f DP Flujo DP pasos DP Total DP Disponible % Sobredimensionamiento

Kcal/h BTU/h C C C C

C C Kcal/h m2 C h m2 C/Kcal Kcal/h m2 C m2 m2 %

176.878 389.943 8.259.216 32.774.669 90 280 170 120 1,20 0,546 1 1 143,6 143,6 102 0,00200 27,23 2.113 2.337 9,58%

140.249 309.191 8.259.216 32.774.669 438 210

0,002 0,069 0,000 0,069 0,3000 77%

0,00025 0,001 0,10747 0,108427 0,3000 64%

1

63 0,00900

psi psi psi psi psi %


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PROPIEDADES Transito Fluido Y Nombre Unidades Propiedad °C Temperatura Temperatura °C promedio Densidad Densidad Promedio Cp Cp Promedio Viscosidad Viscosidad Promedio Cond. Térmica

Lb/pie3 kg/m3 Lb/pie3 kg/m3 KJ/kg°C Kcal/Kg C KJ/kg°C Kcal/Kg C Lb/pie s kg/ms Lb/pie s kg/ms W/m°C kcal/hmC W/m°C

Cond. Térmica Promedio

kcal/hmC

Nº Prandtl

-

Nº Prandtl

-

Coraza Aire Entra Sale 90

280

Tubos Gas con SO3 Entra promedio 438

210

185 324 0,0622752 0,04007952 0,03078816 0,04258176 0,998 0,6423 0,4934 0,6824 0,051 0,037 0,820 0,588 1,0969 1,0555 1,009 1,039 0,24216 0,24936 0,263256 0,25332 1,024 1,076 0,246 0,258 0,00003122 0,00004244 0,00004787 0,00003829 0,00002095 0,00002848 0,00003213 0,00002570 0,00003683 0,00004308 0,00002472 0,00002892 0,05123 0,03984 0,03 0,0436 0,02592 0,0376704 0,04426272 0,03442176 0,0368 0,045535 0,0317952 0,70 0,69

0,68

0,03934224 0,69 0,68 0,69


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DIMENSIONES Coraza

Unidades

Fluido Nombre D I Coraza Arreglo Diam Tubo Interno Diam TuboExterno BWG Separación Baffles Nº de Tubos Nº de Pasos Pt C´ Dequivalente Área de Flujo Velocidad

115

pulg

Cuadrado 1,4 1,5 16

pulg pulg

92

Pulg

3.203 1 1,75 0,50

pulg pulg pulg pie

2

pie/seg m/seg

Nº de Cruces Largo tubos Área Disponible Nº Reynolds

Tubos

1,10 21

28

100

82

30 2,6

25 20

pie pie

2

25.156 28.248

2.337 18.154

89,3 101,7

60,9 67,4

101,7 0,00200 27,23

62,9 0,00900

0,002 18.423,84 0,07

0,00025 10.879,58 0,0009557 0,10747 0,11

Transferencia de calor Nusselt Coef. T. de Calor Coef. T. de Calor Corrg. Coef. De Ensuc. U

Kcal/h m2 C Kcal/h m2 C h m2 C/Kcal Kcal/h m2 C

Diferencia de Presión f Flujo Masico DP Flujo DP pasos DP Total

lb/ h pie psi

2

psi psi

0,07


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PROYECTO FINAL Intercambiador de Calor Previo a Absorbedor en Planta de Acido Sulfurico

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